Ce travail de thèse porte sur le développement de méthodes de réduction du canal de multitrajets, donnant une importance particulière à la préservation des performances en poursuite du signal par les systèmes de navigation par satellite. Le but est de rendre les modèles de canal mobile urbain applicables au test réaliste de nouveaux récepteurs GNSS, en réduisant drastiquement le nombre d’échos synthétisés par le simulateur de canal d’origine (de plusieurs milliers à moins de 10) tout en conservant son impact sur l’erreur de pseudo-distance. Trois types de méthodes de réduction ont été envisagés afin de couvrir l’ensemble des possibilités de réduction. En première approche, une méthode d’agrégation a été développée, par le clustering des multitrajets selon les dimensions du retard et du Doppler pondéré par leur puissance. Bien que cette méthode permette une bonne préservation des caractéristiques large-bande du canal d’origine, une deuxième approche a été considérée, visant à optimiser les paramètres des échos du canal réduit (retard, Doppler, phase et amplitude) pour minimiser la différence entre la fonction de corrélation du canal d’origine et celle du canal réduit. Bien que cette approche donne de bonnes performances en termes de préservation de l’erreur de pseudodistance, elle conduit à une instabilité des échos du canal réduit. C’est dans cette optique qu’une approche statistique a été développée, considérant que le retard des multitrajets évolue selon une chaîne de Markov du premier ordre. Ces méthodes ont été comparées selon le critère de la préservation de l’erreur du discriminateur en boucle ouverte. Dans certaines conditions portant sur le nombre de multitrajets du canal réduit et l’élévation du satellite émetteur, il apparait que la méthode de clustering implémentée en première approche égale les performances de la méthode paramétrique, la méthode statistique donnant systématiquement des performances inférieures. L’invariance de cette hiérarchie lors de l’ajout de boucles de poursuite à la simulation ou le test de divers modèles de signaux (modulation et bande RF) permet d’étendre ces conclusions. Etant donné l’avantage significatif des méthodes de clustering sur les méthodes paramétriques en termes de temps de calcul, c’est l’usage de cette méthode qui est préconisé pour répondre à la problématique de réduction du canal de multitrajets. En particulier, la méthode de clustering pondéré développée dans cette thèse offre la possibilité de reproduire les paramètres largebande d’un canal composé de milliers de multitrajets avec moins de 10 échos. De plus, elle offre un compromis intéressant entre temps de calcul et préservation de l’erreur de pseudo-distance des systèmes GNSS, approchant les performances de méthodes d’optimisation paramétrique, voire les atteignant dans certaines conditions, avec un temps de calcul proche du temps réel. / This PhD work relates the development of multipath channel reduction methods, putting the emphasis on the preservation of the signal tracking performances of satellite navigation systems. It aims at adapting the land mobile channel models to the realistic testing of GNSS receivers, by reducing drastically the number of multipaths of the original channel model (from thousands to less than 10 typically) all by conserving the pseudo-range error. Three types of methods have been investigated in order to cover all different possibilities of reduction processes. As a first approach, a multipath aggregation method has been considered, through the clustering of the multipaths according to the delay and Doppler dimensions, weighted by their power. Even if this method allows a good preservation of the delay and Doppler characteristics of the original channel, a second approach has been investigated, oriented toward the optimization of the parameters of the reduced channel (delay, Doppler shift, phase and amplitude) in order to minimize the difference between the original channel correlation function and the reduced one. Even if this approach gives good performances in terms of pseudorange error preservation, it leads to the instability of the reduced channel echoes. Therefore, a statistical method has been implemented, considering that the delays of the reduced channel evolve according to a first order Markov process. These three approaches have been compared through the preservation of the discriminator open loop error. In particular conditions concerning the number of echoes in the reduced channel or the elevation of the emitter satellite, the clustering technique implemented in first approach appears to equal the performances of the parametric method, the statistical approach giving systematically the worst performances. The invariance of this hierarchy as adding tracking loops to the simulation or changing the signal model (modulation and RF bandwidth) allows extending the conclusion. Being given the significant advantage of the clustering on the parametric method in terms of computation time, the use of this method is preconized to address the channel reduction problem. In particular, the weighted clustering technique developed in this thesis offers the possibility to reproduce the wide-band characteristics of a channel model composed of thousands of multipaths with less than 10 echoes. Moreover, it constitutes an interesting tradeoff between computational effort and GNSS systems pseudo-range error conservation, approaching the performances of parametric methods, and even overcoming them in some conditions, with a computation time close to the real time.

L'utilisation de systèmes GNSS (Global Navigation Satellites System) en environnement urbain s'est fortement développée, notamment avec l'apparition des puces GNSS dans les téléphones portables. Cependant, l'environnement urbain génère des difficultés dans la réception des signaux GNSS qui peuvent engendrer des erreurs en position de plusieurs dizaines de mètres. Nous avons choisi d'apporter une solution à ces problématiques grâce à l'utilisation d'un modèle 3D de ville réaliste simulant la propagation des signaux GNSS. La première partie de notre étude se porte sur la problématique des signaux Non Line Of Sight et propose une solution de navigation utilisant le modèle 3D de ville pour estimer les caractéristiques géométriques des signaux NLOS reçus par le récepteur. Dans la deuxième partie de notre travail, le modèle 3D de ville est utilisé pour estimer le biais dû aux signaux multitrajets sur la mesure de pseudodistance. Enfin, la dernière partie de notre étude propose une solution combinant les méthodes de poursuite vectorielle des signaux GNSS aux apports d'information du modèle 3D de ville afin d'aider la poursuite en contexte d'atténuation des signaux GNSS. / The use of Global Navigation Satellites System, better known by the acronym GNSS, in an urban environment has grown significantly, especially with the advent of GNSS chips in mobile phones. However, the urban environment introduces many difficulties in GNSS signal reception that can lead to position ?s errors of several tens of meters. We chose to answer these problems by using a 3D city model allowing to simulate a realistic propagation of the GNSS signal in urban environment. The first part of our work regards the Non Line Of Sight problem, where we propose a navigation solution based on a 3D city model to estimate geometrical properties of NLOS measured by the receiver. In a second part, the 3D city model is used to estimate the bias coming from the multipath on the pseudorange measurement. Finally, the last part of our study provides a solution coupling the GNSS signal vectorial tracking method to the information produced from the 3D city model in order to improve the tracking in the context of strong GNSS signal power attenuation.

En autorisant de nouveaux services centrés sur l'utilisateur (navigation indoor contextuelle, surveillance/inventaire de biens personnels, etc.), les nouvelles fonctions de radiolocalisation sont en passe de modifier en profondeur les usages liés à la mobilité. Dans ce contexte, la technologie radio ultra large bande impulsionnelle (IR-UWB), qui permet en théorie d'apprécier le temps de vol des impulsions transmises à l'échelle de la nanoseconde et donc, la distance séparant l'émetteur du récepteur avec une précision de l'ordre de quelques dizaines de centimètres seulement, a été régulièrement mise en avant ces dix dernières années. En dépit de ces bonnes dispositions, l'obstruction des liens radio par le(s) corps ou les obstacles (murs, mobilier...) donne toutefois lieu à des erreurs significatives sur les distances mesurées, dégradant d'autant les performances de positionnement, en particulier en environnements fermés (ex. indoor). Dans le cadre de cette thèse, on se proposait d'exploiter une architecture intégrée de récepteur IR-UWB, permettant d'estimer la réponse du canal multi-trajets dans son ensemble, afin d'améliorer la fonction de localisation. Une étude détaillée de ce canal radio mobile, tel que perçu par le récepteur, a d'abord été menée, débouchant sur une interprétation déterministe (c'est-à-dire géométrique) de l'évolution temporelle relative des composantes multi-trajets, ainsi qu'à une modélisation de leur interférence mutuelle. En s'appuyant sur l'étude précédente, des algorithmes de détection, d'association et de suivi des impulsions reçues (ex. batterie de filtres de Kalman à hypothèses multiples) ont alors été proposés. Ces différentes propositions tirent profit des spécificités de l'architecture du récepteur, en visant d'une part, à exploiter la cohérence spatio-temporelle des composantes multi-trajets résolues en réception, et d'autre part, à minimiser l'effet néfaste de leurs collisions au sein de canaux mobiles particulièrement denses (ex. via une estimation de canal multi-bandes). Les solutions apportées permettent en particulier, pour chaque lien radio en situation de non-visibilité, de corriger le temps d'arrivée des trajets directs manquants à partir de trajets secondaires suivis, tout en autorisant l'utilisation d'une structure de filtre classique pour la poursuite du mobile (c'est-à-dire, alimenté par plusieurs liens radio ainsi "corrigés" vis-à-vis de différentes balises fixes). Ces développements algorithmiques ont d'abord été validés par le biais de simulations (à partir d'un outil semi-déterministe, incluant un modèle de récepteur complet), avant d'être appliqués à un jeu de données réelles, issues de dispositifs radio IR-UWB commercialisés par la société BeSpoon. / By making possible unprecedented user-centric services (monitoring/smart inventory of personal goods, context-aware indoor navigation, etc.), new radiolocation capabilities are on the verge of modifying in depth mobility-based usages. In this context, the impulse radio - ultra wideband technology (IR-UWB), which theoretically enables to estimate the arrival time of transmitted pulses at the nanosecond scale and hence, the relative distance between a transmitter and a receiver within a few tens of centimeters, has been regularly put forward for the last past decade. In spite of these good intrinsic properties, the obstruction of radio links, either by the carrying body itself or by surrounding obstacles (walls, pieces of furniture. . . ), can result in significant errors on unitary range measurements, degrading the overall positioning performance accordingly, in particular in confined environments (e.g., indoor). In the frame of this PhD work, the main idea was to rely on an integrated IR-UWB receiver architecture, which has the capability to finely estimate the entire multipath profile, in order to improve the localization functionality. An in-depth study of the mobile multipath channel, as perceived by the previous receiver, has been conducted first, leading to the deterministic interpretation (i.e., from a geometric point of view) of the relative temporal evolution of multipath components, as well as to the modelling of their mutual interference. Based on these preliminary investigations, adapted multipath detection, association and tracking algorithms have been proposed (e.g., multi-hypothesis Kalman filters in parallel). All these proposals benefit from the receiver specificities, aiming at capturing the space-time correlation of multipath components under mobility, while minimizing harmful interference effects in dense channels (e.g., by means of combined multi-band channel estimations). In particular, for each non-line-of-sight link independently, the previous solutions allow to correct the estimated arrival time of the missing direct path out of the tracked secondary paths, while enabling the use of a conventional structure for the mobile tracking filter (i.e., fed by several "corrected" links with respect to distinct base stations). These algorithmic developments were first validated by means of simulations (using a semideterminist tool including a complete model of the receiver), before being applied to a measurement data set issued by IR-UWB devices commercialized by the BeSpoon company.

L’objectif de cette thèse est de développer de nouvelles solutions pour détecter et localiser des sources électromagnétiques radar au niveau d'une unique station de réception en exploitant les signaux directs et indirects reçus. Dans le cadre de notre étude, nous avons dans un premier temps développé une modélisation du signal reçu au niveau d'un récepteur en tenant compte des caractéristiques des émetteurs et de la zone environnante. L'évaluation de cette modélisation a été effectuée en s'appuyant sur un cas particulier de détection et de localisation des réflecteurs. Ce dernier, traité dans la littérature, repose sur l’exploitation des trajets multiples. Ces derniers peuvent être également utilisés pour localiser des sources d’émission. Néanmoins, la plupart des méthodes existantes se basent sur des réflexions dites spéculaires. Les techniques employant les réflexions non spéculaires sur un réflecteur quelconque pour localiser des sources d'émission dans un environnement inconnu font l'objet de peu de publications dans la littérature ouverte. La méthode de localisation que nous proposons a l'avantage de n'employer qu'un récepteur fixe mesurant seulement deux types de grandeurs : les angles d'arrivée (AOA) et les différences de temps d'arrivée (TDOA). En pratique, un problème d'affectation doit être résolu avant de procéder à la localisation des émetteurs et des réflecteurs. Le problème consiste à affecter chaque paire de mesures TDOAAOA à un réflecteur donné, en supposant que chaque paire a déjà été affectée à un émetteur.La méthode que nous avons développée a été testée et évaluée, d'une part grâce à des données simulées et d'autre part en utilisant des mesures réelles. / The purpose of this work is to develop new methods for the detection and the location of radar sources. The developed approach exploits the direct and indirect signals received at the receiving point. In our study, we first develop a model of these signals that takes into account the characteristics of the transmitters and the reflectors. We evaluate this model by simulating a particular case of reflectors detection and location, defined in the literature. Our goal is to use the multipaths to locate emission sources. Most existing methods are based on specular reflections. Methods based on non-specular reflections, to locate emission sources in an unknown environment, are rarely studied in the literature. In our study, we propose a new location method that uses a fixed receiver measuring the Angle of Arrival (AOA) and Time Difference of Arrival (TDOA). In practice, an assignment problem must be solved before locating the emitters and reflectors. The problem is to assign each pair of TDOA-AOA measurements to a given reflector, assuming that each pair has already been assigned to a transmitter. The method developed has been tested and evaluated by using simulated data and real measurements.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:38:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Danillo Ono.pdf: 2562799 bytes, checksum: e44e38bb2e4a5c5eef6578aaa17eed58 (MD5) Previous issue date: 2008-06-16 / Fundo Mackenzie de Pesquisa / The main objective of this work is to study and evaluate the reception s conditions of a Digital TV signal, modulated in Brazilian standard and received with the use of an internal and external antenna, to analyze and to study the interferences that affect it. Comparing the conditions for receipt of the theoretical model of Okumura Hata with real data collected in field tests. Field tests are carried out at several points of Sao Paulo city, to collect data that will be analyzed later. It will use a process of RF capturing, where digital signals are stored on a hard-disk and through the use of laboratory equipments, and through the help of softwares such as Matlab and EDX, data are analyzed taking up account of their impulsive response, the amount of multipaths present in the signal and sensibility to the doppler effect. It was chosen Sao Paulo city because it presents very adverse conditions of reception when compared to other cities in the world, due to its large amount of buildings and antennas, which generate many multipaths. The presence of a large amount of old cars and old appliances, generate impulsive noise. Brazil has the second largest fleet of helicopters in the world and also the large amount of aircrafts flying over the skies of the city, affecting the signals with doppler effect. About 90% of the population that attends TV, use some kind of antenna, which does them receive signals affected by these kind of interference. / O objetivo deste trabalho é estudar e avaliar as condições de recepção de um sinal de TV Digital modulado no padrão brasileiro e recebido com o uso de uma antena interna e externa, e analisar e estudar as interferências que afetam o mesmo. Comparar as condições de recepção do modelo teórico de Okumura Hata com dados reais coletados em testes de campo. São realizados testes de campo em determinados pontos da cidade de São Paulo, para coleta de dados, que serão posteriormente analisados. Utilizar-se-á um processo de captura dos sinais, no qual os sinais digitais são gravados em um hard-disk e através do uso de equipamentos de laboratório e com o auxílio de softwares como Matlab e EDX, os dados são analisados levando-se em consideração sua resposta impulsiva, a quantidade de multipercursos presentes no sinal e a sensibilidade ao efeito doppler. Foi escolhida a cidade de São Paulo pois a mesma apresenta condições de recepção muito adversas quando comparada a outras cidades do mundo. Devido a sua ampla quantidade de prédios e antenas, geram-se muitos multipercursos. A presença de inúmeros automóveis e eletrodomésticos antigos contribui com ruído impulsivo. Tem-se a segunda maior frota de helicópteros do mundo, bem como a grande quantidade de aviões que sobrevoam os céus da cidade, afetando os sinais com efeito doppler. Cerca de 90% da população que assiste TV, usa algum tipo de antena, o que ocasiona a recepção de sinais afetados por esses tipos de interferências.

La réflectométrie GNSS (ou GNSS-R) est une technique de télédétection originale et pportuniste qui consiste à analyser les ondes électromagnétiques émises en continu par la soixantaine de satellites des systèmes de positionnement GNSS (GPS, GLONASS, etc.), qui sont captées par une antenne après réflexion sur la surface terrestre. Ces signaux interagissent avec la surface réfléchissante et contiennent donc des informations sur ses propriétés. Au niveau de l'antenne, les ondes réfléchies interfèrent avec celles arrivant directement des satellites. Ces interférences sont particulièrement visibles dans le rapport signal-sur-bruit (SNR, i.e., Signal-to-Noise Ratio), paramètre enregistré par une station GNSS classique. Il est ainsi possible d'inverser les séries temporelles du SNR pour estimer des caractéristiques du milieu réfléchissant. Si la faisabilité et l'intérêt de cette méthode ne sont plus à démontrer, la mise en oeuvre de cette technique pose un certain nombre de problèmes, à savoir quelles précisions et résolutions spatio-temporelles peuvent être atteintes, et par conséquent, quels sont les observables géophysiques accessibles. Mon travail de thèse a pour objectif d'apporter des éléments de réponse sur ce point, et est axé sur le développement méthodologique et l'exploitation géophysique des mesures de SNR réalisées par des stations GNSS classiques. Je me suis focalisé sur l'estimation des variations de hauteur de l'antenne par rapport à la surface réfléchissante (altimétrie) et de l'humidité du sol en domaine continental. La méthode d'inversion des mesures SNR que je propose a été appliquée avec succès pour déterminer les variations locales de : (1) la hauteur de la mer au voisinage du phare de Cordouan du 3 mars au 31 mai 2013 où les ondes de marées et la houle ont pu être parfaitement identifiées ; et (2) l'humidité du sol dans un champ agricole à proximité de Toulouse, du 5 février au 15 mars 2014. Ma méthode permet de s'affranchir de certaines restrictions imposées jusqu'à présent dans les travaux antérieurs, où la vitesse de variation verticale de la surface de réflexion était supposée négligeable. De plus, j'ai développé un simulateur qui m'a permis de tester l'influence de nombreux paramètres (troposphère, angle d'élévation du satellite, hauteur d'antenne, relief local, etc.) sur la trajectoire des ondes réfléchies et donc sur la position des points de réflexion. Mon travail de thèse montre que le GNSS-R est une alternative performante et un complément non négligeable aux techniques de mesure actuelles, en faisant le lien entre les différentes résolutions temporelles et spatiales actuellement atteintes par les outils classiques (sondes, radar, diffusiomètres, etc.). Cette technique offre l'avantage majeur d'être basé sur un réseau de satellites déjà en place et pérenne, et est applicable à n'importe quelle station GNSS géodésique, notamment celles des réseaux permanents (e.g., le RGP français). Ainsi, en installant une chaîne de traitement de ces acquisitions de SNR en domaine côtier, il serait possible d'utiliser les mesures continues des centaines de stations pré-existantes, et d'envisager de réaliser des mesures altimétriques à l'échelle locale, ou de mesurer l'humidité du sol pour les antennes situées à l'intérieur des terres. / GNSS reflectometry (or GNSS-R) is an original and opportunistic remote sensing technique based on the analysis of the electromagnetic waves continuously emitted by GNSS positioning systems satellites (GPS, GLONASS, etc.) that are captured by an antenna after reflection on the Earth's surface. These signals interact with the reflective surface and hence contain information about its properties. When they reach the antenna, the reflected waves interfere with those coming directly from the satellites. This interference is particularly visible in the signal-to-noise ratio (SNR) parameter recorded by conventional GNSS stations. It is thus possible to reverse the SNR time series to estimate the reflective surface characteristics. If the feasibility and usefulness of thismethod are well established, the implementation of this technique poses a number of issues. Namely the spatio-temporal accuracies and resolutions that can be achieved and thus what geophysical observables are accessible.The aim of my PhD research work is to provide some answers on this point, focusing on the methodological development and geophysical exploitation of the SNR measurements performed by conventional GNSS stations. I focused on the estimation of variations in the antenna height relative to the reflecting surface (altimetry) and on the soil moisture in continental areas. The SNR data inversion method that I propose has been successfully applied to determine local variations of : (1) the sea level near the Cordouan lighthouse (not far from Bordeaux, France) from March 3 to May 31, 2013, where the main tidal periods and waves have been clearly identified ; and (2) the soil moisture in an agricultural plot near Toulouse, France, from February 5 to March 15, 2014. My method eliminates some restrictions imposed in earlier work, where the velocity of the vertical variation of the reflective surface was assumed to be negligible. Furthermore, I developed a simulator that allowed me to assess the influence of several parameters (troposphere, satellite elevation angle, antenna height, local relief, etc.) on the path of the reflected waves and hence on the position of the reflection points. My work shows that GNSS-R is a powerful alternative and a significant complement to the current measurement techniques, establishing a link between the different temporal and spatial resolutions currently achieved by conventional tools (sensors, radar, scatterometer, etc.). This technique offers the major advantage of being based on already-developed and sustainable satellites networks, and can be applied to any GNSS geodetic station, including permanent networks (e.g., the French RGP). Therefore, by installing a processing chain of these SNR acquisitions, data from hundreds of pre-existing stations could be used to make local altimetry measurements in coastal areas or to estimate soil moisture for inland antennas.